3月5日，攻城主力第七团远途奔袭，从南北两个方向直插车桥。粟裕对该团指战员说：“成败胜负，关系重大，哪怕敌人筑了铜墙铁壁，你也要给我砸开它！”

他事先为攻城部队特制了一批攻坚器材，光用于登城的就有连环云梯、单梯三角钩、爬城钩等多种，突击队泅水游过外壕后，便借助这些器材爬过围墙，对通往街心的碉堡展开攻击。

粟裕在车桥战役中采用的是“掏心战”战术，即先进入街心，占领镇内的所有街道，然后四面开花，分割包围，对周围的碉堡逐一攻坚。在攻陷车桥的同时，前来增援的日伪军也遭到伏击，伤亡惨重。

车桥战役共打死打伤日军350余人，仅第六十五师团就报告战死69人，其中包括大队长山泽大佐、机关枪中队长金丸中尉。在这份报告中，纪录有14人失踪（实际已被俘），这是大反攻到来之前，敌后战场上一次性战役生俘日军最多的一次。

被俘的日军炮兵中尉山本一山供认：“这次战斗失败，我们犯了轻视新四军的错误。”说到这里，他的目光中满是敬畏，突然收紧下巴：“你们的粟裕了不起！”

粟裕在对日作战中指挥的大规模战役不多，战绩也因此受到影响，但这跟他的指挥能力并没有关系。一方面是新四军当时的实力还不足以应付这样的大战，另一方面上级的指导方针对他有很大约束。例如在粟裕将车桥战役的经过报到新四军军部后，军部起初竟然不是高兴，而是十分担心。主持工作的饶濑石害怕这样大动干戈，会不会“过分暴露了自己的力量”，从而像百团大战那样，引起日军疯狂报复，也给华中根据地来个“五一大扫荡”。

车桥战役所产生的效应，远远超出了预期。战役结束不久，就生了12名日军集体上吊自杀事件。此后当粟裕挥师进攻车桥附近的日军据点时，战斗都出奇地顺利，日伪军几乎是望风而逃，像车桥那样拼命死守或增援的事再也没生过。